DE2829946C2

DE2829946C2 - Richtungsdefiniert, selbstanlaufender Synchronmotor

Info

Publication number: DE2829946C2
Application number: DE2829946A
Authority: DE
Inventors: Detlef 1000 Berlin Gottschalk
Original assignee: Schleicher GmbH and Co Relais Werke KG
Current assignee: Schleicher GmbH and Co Relais Werke KG
Priority date: 1978-07-05
Filing date: 1978-07-05
Publication date: 1985-01-31
Also published as: GB2036452B; FR2430681B1; US4274024A; FR2430681A1; IT1114728B; DE2829946A1; GB2036452A; JPS5510890A; IT7948240A0; CH641602A5

Description

wobei γ die Wichte des permaner.tmagnetischen Materials ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor der im Gattungsteil des Patentanspruchs angegebenen Art.

Es sind eine Vielzahl von Synchron-Kleinstmotoren mit richtungsbestimmendem Anlauf bekannt, dessen Läufer ein polarisierter Daucrmagnetläufer ist und dessen in Klauenpolart ausgeführter Stator Gruppen von Haupt- und Hilfspolen unterschiedlicher oder gleicher Polzahl aufweist, wobei diese Haupt- und Hilfspole aus in Achsrichtung verlaufenden Pole von auf beiden Stirnseiten des Stators befindlichen Statorpolblechen herausgeformt sind, und wobei an jeder Stirnseite des Stators die Hilfspole mit Kurzschlußringen beaufschlagt sind und bestimmte Haupt- oder auch Hilfspole einen magnetischen Nebenschluß bilden. Ein bekannter Synchronmotor dieser Art (DE-PS 12 93 324) kennzeichnet sich in diesem Zusammenhang dadurch, daß ein magnetischer Nebenschluß an sämtlichen innenliegenden Polzacken der Hauptpolgruppen eines Statorpolblechs vorgesehen ist, wobei durch diese Nebenschlußbildung ein abgeschwächter magnetischer Fluß in den Arbeitsluftspalten der Hauptpolgruppen vorgegeben werden soll. Die Anzahl der Haupt- und Hilfspole dieses bekannten Synchronmotors ist gleich. Da der erforderliche gleichgroße magnetische Fluß in den Haupt- und Hilfspolen durch eine Schwächung des magnetischen Flusses in den Hauptpolen erzielt wird, geht ein Teil des erzeugten Magnetflusses verloren und bleibt damit für den Betrieb des Synchronmotors inaktiv. Der Wirkungsgrad dieses bekannten Synchronmotors verschlechtert sich damit mindestens um diesen Betrag des inaktiven Flusses der Hauptpolgruppen. Die Ausgleichniaßnahme mittels eines Nebenschlusses zu erzielen, führt immer zu der genannten Minderung des Wirkungsgrads.

Auch ist ein Kleinstsynchronmotor mit Dauermagnetläufer und käfigartigem ringförmig geschlossenem Stator bekannt (DE-AS 19 23 586). bei dem wiederum von der bekannten Klauenpolbauart ausgegangen wird, und der mittels Kurzschlußscheiben belastete Hilfspole aufweist. Dieser Synchronmotor kennzeichnet sich im ίο wesentlichen dadurch, daß nur je eine Gruppe von Hauptpolen und Hilfspolen vorgesehen ist. die sich etwa diametral gegenüberliegen und sich annähernd über die Hälfte des Statorpolumfangs erstrecken und der Läufer exzentrisch gegen die Hilfspolgruppe hin versetzt ist. Ausgegangen wird hierbei von der Erkenntnis, daß zur Erzielung eines kräftigen richtungsbestimmenden Anlaufdrehmoments das Drehfeld so gestaltet sein muß, daß die vektorielle Aufzeichnung über eine volle Periode des Wechselstroms, also über 360°. möglichst eine Kreisform ergibt. Infolge der exzentrischen Rotorlagerung, bezogen auf die auf einer gemeinsamen zylindrischen Fläche angeordneten Haupt- und Hilfspole, wird ein vergrößerter Luftspalt an den Hauptpolen vorgegeben und damit wiederum zwangsläufig eine Verschlechterung des Wirkungsgrads in Abhängigkeit der Größe der Exzentrizität hingenommen.

Auch soll noch ein bekannter in seiner Richtung selbstanlaufender Synchronmotor mit einem dauermagnetisciien Rotor Erwähnung finden (DE-AS 11 28 546),

jo bei dem die Hauptpolzeit unterschiedlicher Polarität verschieden ist, und zwar derart, daß die Anzahl der Hauptpole kleiner als die der Hilfspole ist, wobei die Hilfspole gegenüber den in der Drehrichtung vorangehenden Hauptpolen gleicher Polarität verschoben sind.

J5 In einer speziellen Ausführungsform ist eine Statorhälfte des Synchronmotors mit sechs Haupt- und sechs Hilfspolen gleicher Polarität und die andere Statorhälfte mit vier Haupt- und sechs Hilfspolen entgegengesetzter Polarität bestückt. Die Lösung, den Fluß durch die Hilfspole dem Fluß durch die Hauptpole gleich zu machen dadurch, daß nur die Hauptpolzeit einer Polarität gemindert wird, hat jedoch den Nachteil, daß der Rotor hierdurch axial belastet wird, so daß er bestrebt ist, ständig seine axiale Lage mit der Erregerfrequenz zu ändem, was neben den damit verbundenen Verschleißerscheinungen zu einem unangenehm hohen und in einer Vielzahl von Anwendungsfällen nicht vertretbaren Laufgeräuschpegel führt.
Schließlich soll noch ein weiterer Synchronmotor der hier interessierenden Art Ewähnung finden, bei dem die Summe aller Hauptpole beider Statorpolbleche gleich der Summe aller Hilfspole ist und die Gesamtzahl der Statorpole kleiner ist als die Läuferpolzahl (DE-PS 20 55 470).

Die DE-OS 22 51 956 zeigt einen in eine Richtung selbstanlaufenden Synchron-Kleinstmotor, bei dem im Stator Polgruppen von Hauptpolen und Hilfspolen unsymmetrisch zueinander angeordnet sind, wobei die Anzahl der Hilfspole größer ist als die der Hauptpole. Bei dieser Motorausführung treten allerdings axiale Schwingungen auf.

Aus der DE-PS 11 89 194 ist ein Synchronmotor bekannt, dessen Statorpolzahl der Rotorpolzahl entspricht und der doppelt so viele Hilfspole wie Hauptpole auf-

b5 weist. Der Ausgleich der magnetischen Flüsse soll durch mehrere Nebenschlüsse erreicht werden, was sich nachteilig auf den Wirkungsgrad auswirkt.
Trotz einiger bekannter Einzelmaßnahmen zur Ver-

besserung der Laufcharakteristik und/oder des Wirkungsgrads von Synchronmotoren zeigt der genannte Stand der Technik, daß zwar die eine oder andere Aufgabenstellung mit bestimmten EinzelmaBnahmen gelöst werden konnte, daß jedoch diese Lösungen stets mit anderen Nachteilen erkauft worden sind.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, einen Synchronmotor der im Gattungsteil des Hauptanspruchs genannten Art dahingehend zu verbessern und weiter zu entwickeln, daß der Wirkungsgrad bei geräuscharmem Lauf optimiert werden kann, und daß sich eine Anlaufcharakteristik mit schnellem Anlauf ergibt, wobei zusätzlich die eindeutige Drehrichtung vorgegeben werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale erfindungsgemäß erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieser Aufgabenlösung ergeben sich au'; den Unteransprüchen.

Den erforderlichen Ausgleich der Magnetflüsse in den Haupt- und Hilfspolen dadurch zu erreichen, daß die Hauptpolzahl kleiner als die Hilfspol-Gesamtzahl ist, und zwar bei jeweils zwei Hauptpol- und Hilfspolgruppen. ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft, da einmal Dreh- und Radialschwingungen vermieden werden, ergibt sich ein geräuscharmer Lauf des Synchronmotors. Zum anderen wird der Wirkungsgrad durch diese Maßnahme nicht verschlechtert. Da erfindungsgemäß außerdem auch die Anzahl der Hauptpole als auch der Hilfspole unterschiedlicher Polarität gleich ist, bleibt auch in axialer Richtung der Einfluß der Pole auf den Rotor über eine Periode des Wechselstroms gleich, so daß auch Axialschwingungen vermieden werden. Die beschriebene Polanordnung ergibt daher einen besonders geräuscharmen Synchronmotor bei bestmöglichem Wirkungsgrad.

Eine besonders vorteilhafte Wahl der Dimensionierung zwischen Polbreite und Poldicke sowie dem Kreisumfang der Polanordnung bei gleichzeitig definierten Beziehungen zwischen Außen- und Innendurchmesser des Rotors sorgt für den schnellen Anlauf, also eine besonders vorteilhafte Laufcharakteristik des Synchronmotors in der Startphase.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen, die sich jedoch nur auf beispielsweise Ausführungsformen beziehen, näher erläutert werden. Es bedeutet

F i g. 1 eine perspektivische Wiedergabe des Rotors des Synchronmotors,

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Motor zur Verdeutlichung der Polaufteilung und -anordnung,

F i g. 3 eine Darstellung gemäß F i g. 2 für ein weiteres Ausführungsbeispiel.

F i g. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung den Permanentmagnet-Rotor 28 mit dem Außendurchmesser D und Innendurchmesser d des Permanentmagneten und die Welle 29. Dieser Rotor 28 läuft in dem zylindrischen Hohlraum, der von den in den F i g. 2 beziehungsweise 3 dargestellten Polen gebildet wird, um.

Der Synchronmotor ohne Richtgesperre und mit permanentmagnetischem Rotor, der von einer Erregerspule umgriffen wird, aus dessen Stirnseiten sich die Pole in axialer Richtung herausgeformt erstrecken, wie später noch näher geschrieben werden wird, kann sich nun dann durch eine eindeutige Drehrichtung, ein hohes Drehmoment und einen geräuscharmen Lauf kennzeichnen, wenn das DrehfeJd von besonders hoher Güte ist. Diese erforderliche Güte wird andererseits nur dann erreicht, wenn außer einer räumlich richtigen Polanordnung, die der zeitlichen Phasenverschiebung der Flüsse entsprechen muß. auch die Flüsse in den Haupt- und Hilfspolen gleich oder zumindest annähernd gleich sind. Um das zu erreichen, werden Polanordnungen getroffen, wie sie in Fig.2 und 3 in beispielsweisen Ausführungsformen durch die dort gezeigten Schnittdarsiellungen wiedergegeben sind. In beiden Ausführungsbeispielen, wie auch in anderen uenkbaren. besteht das übergeordnete gemeinsame Merkmal darin, daß jeweils zwei Haupipolgruppen und zwei Hilfspolgruppen vorgesehen sind, wobei die Hauptpolgesamtzahl kleiner als die Hilfspolgesamtzahl ist. Voraussetzung für den geräuscharmen Lauf ist darüber hinaus, daß bei kleinerer Hauptpolanzahl gegenüber der Hilfspolanzahl zum Ausgleich ihrer Flüsse über jede Wechselstromperiode der Einfluß der Pole unterschiedlicher Polarität auf den Rotor gleich bleibt, so daß keinerlei Axialkräfte auftreten können, die entsprechende Schwingungen und damit Geräusche des Synchronmotor erbrächten.

Bei der in jeder Stirnseite gleichen Anzahl der Hauptpole unterschiedlicher Polarität und gleichen Anzahl der Hilfspole unterschiedlicher Polarität, wie nach der vorliegenden Anordnung gegeben, ergibt sich somit der gewünschte gleichbleibende Einfluß der Pole auf den Rotor und die Vermeidung jeglicher Axialkräfte.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Hauptpolgruppen, bestehend aus den Polen 1, 2 einerseits und 7, 8, 9, 10 andererseits. Diese beiden Hauptnolgruppen

jo mit zwei plus vier, also sechs Polen, stehen gegenüber zwei Hilfspolgruppen. nämlich 3 bis 6 und 11 bis 14. also vier plus vier gleich acht Hilfspole. Die Haupt- wie auch die Hilfspole 1 bis 14 sind jeweils aus den sich gegenüberliegenden Stirnseiten in Klauenpolweise herausgebogen oder an diese angeformt, wobei sich aus jeder der beiden Stirnseiten ,die gleiche Hauptpolanzahl und die gleiche Hilfspolanzahl herauserstreckt. Die Hilfspole 3, 5,12,14 der einen Stirnseite sind durch die Kurzschlußscheibe 20 und die Hilfspole 4, 6, 11, 13 der gegenüberliegenden Stirnseite sind durch die Kurzschlußscheibe 20' belastet. Zur erstgenannten Stirnseite gehören die Hauptpole 2, 7,9 und zur zweitgenannten Stirnseite die Hauptpole 1, S und 10. Die Breite sowohl der Hilfs- als auch der Hauptpole ist B und ihre in Radialrichtung gemessene Dicke b. Zwischen der Polbreite und der Poldicke, wie auch dem inneren Umfang, auf dem die Pole angeordnet sind, wird eine bestimmte Beziehung eingehalten, was darüber hinaus auch zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser des Rotors und seiner Wichte besteht, um einen möglichst schnellen Anlauf des Synchronmotors zu erreichen, was letztlich nichts anderes heißt, als das Haltemoment des Rotors im Stator und das Trägheitsmoment des Rotors klein zu halten und den Querschnitt der Statorpole so, daß ein großer sinusförmiger Magnetfluß vorgebbar ist. Die genannten Beziehungen bestehen einmal darin, daß die Dicke b der Statorpole mehr als 30% ihrer Breite B ausmacht, und zum anderen darin, daß der wirksame Innendurchmesser ddes Rotors größer oder gleich dem

bo Außendurchmesser D, multipliziert mit der vierten Wurzel eines bestimmten Betrags, ist. in den die Wichte des Rotors mit eingeht. Diese Beziehung stellt sich dar als:

wobei /die Wichte des ringförmigen permanentmagnetischen Rotors ist. Nach dieser Formel muß ein d stets größer oder wenigstens gleich dem Produkt aus D mal

der vierten Wurzel aus 1 minus sein. Die aneinanderreihte Gesamtbreite aller Pole I bis 14 beträgt mindestens 60% des Kreisumfangs, auf dem sie angeordnet sind.

Die beschriebenen Verhältnisse ergeben sich auch für das Ausfiihrungsbeispici gemäß Fig.3. Dort bestehen die Hauptpolgruppen zum einen aus den Hauplpolen Γ, 2', 3' und zum anderen aus den Hauptpolen 7',8', 9' und die Hilfspolgruppen einmal aus den Hilfspolen 4', 5', 6' und zum anderen aus den Hilfspolen 10' bis 14'. Die Hauptpole Γ,3',8' sind mit den Hilfspolen4',6', IV, 13' aus der erstgenannten Stirnseite aus der einen Stirnseite und die Hauptpole 2', 7', 9' sind mit den Hilfspolen 5', 10', 12' und 14' aus der anderen Stirnseite ausgeformt. Zwei Kurzschlußscheiben 21 und 2Γ wirken jeweils auf die Hilfspolgruppen, die sich aus jeder Stirnseite herauserstrecken. Die radiale Dicke b'und die Breite B'jeder der Haupt- und Hilfspole Γ bis 14' entspricht der von Fig. 2.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

30

35

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentanspruch:

Ricfuiingsdefiniert, selbstanlaufender Synchronmotor mit permanentmagnetischem Rotor und einem eine Erregerspule umfassenden Stator in Klauenpolbauart, derart, daß die auf einem Kreisring angeordneten und sich aus den Stirnseiten herausstrekkenden. ineinandergreifenden Pole zu zwei Hauptpolgruppen und zu zwei durch Kurzschlußscheiben belastete Hilfspolgruppen zusammengefaßt sind und die Hauptpolgesamtanzahl kleiner als die Hilfspolgesamtanzahl ist. wobei sich aus jeder der beiden Stirnseiien die gleiche Anzahl von Hauptpolen und die gleiche Anzahl von Hilfspolen heraus erstreckt, und wobei eine definierte Drehrichtung nicht mittels Richtungssperre vorgegeben ist. dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtbreite aller Statorpole mindestens 60% des inneren Kreisumfangs ausmacht, auf dem sie liegen, daß die Dicke der Statorpole mehr als 30% ihrer Breite beträgt, und daß der wirksame Innendurchmesser (d) des ringförmigen Rotors (28) aus permanentmagnetischem Material zum Außendurchmesser (D) in folgender Beziehung steht: